在淞沪会战期间，他率领自己的部队绕到杭州湾登陆，成功击败了国民党守军，并在之后连战连捷。1937年12月到达南京，在这里他率领部队猛烈攻击，最终成功由中华门侵入南京。

进入南京以后他的暴行再一次展现，他的第六师团伙同第16师团、18师团、114师团等联合制造了震惊中外的南京大屠杀。在南京他的部队杀死的中国军民就有五万人之多，而他自己也强奸了十几名中国女性，谷寿夫罪行展露无遗。

由于南京大屠杀，日军遭受了极大的国际舆论压力，不得不将谷寿夫调回日本任职，回国后的谷寿夫担任闲职，后来退役，成为一个预备役军段，一直到日本投降前三天才被重新任职。

谷寿夫的罪行极大，最终也没有逃脱正义的审判，在1947年2月6日南京军事法庭公审，后被判处死刑，谷寿夫还进行了上诉，但是经过蒋介石的亲自批示，维持了原判，最终在雨花台被枪决。